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Filterpressen-Elektrolyseur zur Gewinnung eines
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Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches Die Erfindung bezieht sich auf die
Vervollkommnung von Filterpressen-Elektrolyseuren zur Gewinnung eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches,
welches in Gasbrennern beim Schneiden, Löten und Schweißen unmittelbar zur Verwendung
kommt.
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Der in der US-PS 3 310 483 beschriebene Elektrolyseur enthält einen
aus Dielektrikum gefertigten Elektrolysenbehälter, in dem zugleich der Elektrolyt
enthalten ist und flache Elektroden in den in den Seitenwänden und im Boden des
Elektrolysenbehälters ausgeführten Nuten von bestimmter Tiefe mit Hilfe von Befestigungsteilen,
beispielsweise Schrauben, festgehalten werden. Durch die auf der ganzen Länge des
Elektrolysenbehälters parallel und in einem bestimmten Abstand zueinander angeordneten
Elektroden werden Kammern gebildet. Der elektrische Strom
wird der
ersten und der letzten Elektrode zugeführt.
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Der Ausgleich des Elektrolytspiegels in sämtlichen Kammern erfolgt
im Verlaufe des Einfüllens des Elektrolyten in den Elektrolyseur durch Kippen des
letzteren um seine Längsachse auf einen Winkel, der für den überlauf des Elektrolyten
aus einer Kammer in die andere über die oberen Kanten der Elektrodenplatten ausreichend
ist.
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Bei experimenteller Erprobung des bekannten Elektrolyseurs wurden
dessen folgende Nachteile festgestellt: Ungenügende Wärmeabführung aus den Elektrolysenkammern,
weil der Elektrolysenbehälter aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt ist,
was eine übermäßige Erwärmung des Elektrolyten und die Störung der Betriebsführung
des Elektrolyseurs zur Folge hat; infolge der Anordnung der Elektroden in den im
aus Dielektrikum gefertigten Elektrolysenbehälter aus ge führten Nuten können die
Stromverluste durch Ableitung auf der Berührungsfläche zwischen den Kanten der Elektrodenplatten
und dem Elektrolysenbehälter nicht restlos behoben werden; unvermeidliche Entstehung
von Spalten zwischen den Elektrodenplattenkanten und dem Elektrolysenbehälter; ungenügende
Zuverlässigkeit der Elektrodenplattenbefestigung, da diese nicht auf ihrem gesamten
Umfang in die Nuten eingehen; Schwierigkeiten bei Abdichtung des Elektrolysenbehälters,
da sein Deckel und die Seitenwände auf einem
Umfang von bedeutender
Länge zusammengehalten werden sollen.
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Durch Lösen der vorstehend erwähnten Probleme könnte die Betriebssicherheit
von Elektrolyseuren des genannten Typs erhöht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vervollkommneten
Filterpressen-Elektrolyseur zur Gewinnung eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches
zu entwickeln, in dem durch konstruktionsmäßige Veränderung des Elektrolysenbehälters
und der Elektroden die Betriebssicherheit erhöht werden kann.
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Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein
Filterpressen-Elektrolyseur zur Gewinnung eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches,
der einen aus Dielektrikum gefertigten und durch in einem Abstand zueinander angeordnete
und in der vorgegebenen Lage durch Befestigungselemente festgehaltene bipolare Elektroden
in Kammern eingeteilten Elektrolysenbehälter enthält, mit dem Kennzeichen, daß die
bipolaren Elektroden muldenförmig mit zu derselben Seite ausgerichteten Vertiefungen
ausgebildet sind und die Seitenwände des Elektrolysenbehälters als auf dem Umfang
der Vertiefungen der bipolaren Elektroden angeordnete Zwischenlagen ausgebildet
sind.
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Ein derartiger Satz von aus Dielektrikum gefertigten Rahmen und muldenförmigen
Elektroden kann ohne Schwierigkeiten zusammengebaut werden, weil die Anordnungsstellen
der Zwischenlagen festgelegt sind, so daß deren darauffolgendes Zusammenziehen durch
Befestigungselemente ohne Schwierigkeiten vorgenommen werden kann.
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Die Anzahl der einheitlichen Bauteile, aus welchen die hintereinander
geschalteten und den Elektrolyten enthaltenden Zellen aufgebaut sind, kann in Abhängigkeit
von der erforderlichen Speisespannung, insbesondere der Netzspannung, gewählt werden,
so daß somit auf den Einsatz eines Netzanschlußtransformators in der Einrichtung
mit den diesem anhaftenden Nachteilen verzichtet werden kann.
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Der Vorgang der Gasentwicklung geht auf den Elektroden mit gleicher
Fläche vor sich, da diese vorzugsweise einander gleich auszuführen sind. Dies gestattet
es, die in den Elektrolyten eingetauchte Oberfläche der Elektroden mit maximaler
Wirksamkeit auszunutzen sowie eine gleichmäßige Belastung der Elektroden und folglich
eine gleichmäßige Wärmeentwicklung über den gesamten Umfang des Elektrolyten sicherzustellen.
Ein intensiver Wärmeaustausch zwischen dem im aus Dielektrikum gefertigten Elektrolysenbehälter
enthaltenen Elektrolyten und der Umgebung kommt infolge einer hohen Wärmeleitfähigkeit
der über die Baumaße des Elektrolysenbehälters hinausragenden Metallelektroden zustande.
Da die Zwischenlagen auf dem Umfang der Vertiefungen angeordnet sind, ragt ein bestimmter
Teil der Elektrode in jedem Fall über die Baumaße der den Elektrolyten enthaltenden
Kammer hinaus. Die Tatsache, daß die Wärme praktisch aus dem Gesamtvolumen des Elektrolyten
abgeführt wird, gestattet es, auf den Einsatz von zusätzlichen Kühleinrichtungen
zu verzichten.
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Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann die jeweilige
Zwischenlage mit einem Diaphragma ausgerüstet sein, in welchem Bohrungen mit unter
einem Winkel von 30 bis 600 zur Ebene des Diaphragmas verlaufenden
Achsen
sowie - im unteren Teil des Diaphragmas - eine öffnung, deren Höhe 1/3 der Diaphragmahöhe
beträgt, ausgebildet sind.
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In derartigen Elektrolyseuren kann, wie die vorliegende Erfindung
voraussetzt, auf das Trenndiaphragma herkömmlicher Art verzichtet werden, weil eine
getrennte Gewinnung von Gasen gar nicht bezweckt wird. Zwecks Erhöhung der Leistungsfähigkeit
werden jedoch anoden- und kathodenseitig mit porösen Massen überzogene Elektroden
verwendet, was dazu zwingt, großporige Diaphragmen einzusetzen. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß bei ungenügend zuverlässiger Haftung der porösen Masse an der
Elektrodenoberfläche ihre Abblätterung im Verlaufe des Betriebs möglich ist. Eine
derartige Abblätterung kann die Entstehung von Kurzschlußstegen zwischen den Elektroden
zur Folge haben, durch welche die Erwärmung des betreffenden Abschnitts hervorgerufen
wird. Falls ein derartiger Kurzschlußsteg im Elektrolyten entsteht, so hat er die
gesamte Erwärmung zur Folge. Entsteht er aber im Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch,
so hat er eine Explosion in der Elektrolysenzelle zur Folge. Diese kann zum Ausfall
des Elektrolyseurs führen, was davon zeugt, daß ein derartiger Elektrolyseur über
eine mangelhafte Betriebssicherheit verfügt.
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Da die Achsen der in dem Diaphragma ausgeführten Bohrungen zu dessen
Ebene unter einem Winkel von 30 bis 60° verlaufen, wird der Entstehung von Kurzschlußstegen
bei eventuellen Abblätterungen vorgebeugt. Gleichzeitig bleibt auch der durch das
Diaphragma dem elektrischen Strom und dem Durchgang der sich entwickelnden Gase
geleistete Widerstand konstant. Vorzugsweise ist die öffnung zu 1/3 der Höhe des
Diaphragmas auszuführen, weil
dies der mindestmögliche Höhenstand
des Elektrolyten ist, bei welchem die Leistungsfähigkeit des Elektrolyseurs noch
erhalten bleibt. Die Ausführung des Diaphragmas auf der Zwischenlage gestattet es
ferner, bei einer eventuellen Explosion und Zerstörung der Zelle die letztere mit
Hilfe von einheitlichen Bauteilen schnell wiederherzustellen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung werden in den
Vertiefungen der Elektroden Nuten ausgebildet, deren Querschnitt mit der Höhe der
Elektrode zunimmt, wobei sich der Kathodenteil der jeweiligen Elektrode an der Bodenseite
der Nut befindet. Durch eine derartige bauliche Gestaltung wird ein intensiver Umlauf
des Elektrolyten dank der gerichteten Strömung der Wasserstoffbläschen in der Zelle
gewährleistet. Die Neigung der Nuten unter einem Winkel von 10 bis 150 zur Senkrechten
ermöglicht es, die Stromdichte um ca. 10 % zu vergrößern.
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Im weiteren wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand
der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen: Fig. 1 den erfindungsgemäßen Elektrolyseur
im Längsschnitt.; Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene II-II der Fig. 1; Fig. 3 eine
weitere Ausführungsvariante der Erfindung, von welcher eine Elektrolysenzelle dargestellt
ist; und
Fig. 4 noch eine andere Ausführungsvariante der Erfindung.
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Wie es aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, schließt der Filterpressen-Elektrolyseur
zur Gewinnung eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches muldenförmige Elektroden 1
ein, deren Vertiefungen zu derselben Seite ausgerichtet sind. Die Elektroden 1 weisen
Öffnungen 2 auf, die in ihnen über dem Elektrolytspiegel 3 in den Grenzen der durch
aus Dielektrikum gefertigte Rahmen bzw.
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Zwischenlagen 4, welche die Seitenwände des Elektrolysenbehälters
begrenzen und beispielsweise aus Gummi gefertigt sind, abgegrenzten Fläche ausgebildet
sind. Wie es aus der Zeichnung, insbesondere aus Fig. 1, ersichtlich ist, sind die
Zwischenlagen 4 zu einem Teil in den Vertiefungen der Elektroden 1 längs des Umfangs
dieser Vertiefungen angeordnet, ragen teilweise hinaus und stützen sich gegen die
nächstliegende Elektrode 1 ab.
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An seinen Stirnseiten ist der Elektrolysenbehälter durch aus Metall
gefertigte Platten 5 und 6 begrenzt. Die Metallplatte 5 ist mit einer Vertiefung
ausgebildet, welche den in den muldenförmigen Elektroden 1 vorhandenen Vertiefungen
entspricht, während die Platte 6 flach gestaltet ist. Die Platten 5 und 6 weisen
Abführstutzen 8 bzw. 7 auf, von denen der Stutzen 7 mit einem druckdichten Verschluß
9 versehen ist und der andere Stutzen 8 über die Rohrleitung 10 mit einem Brenner
11 verbunden ist. Der zusammengebaute Elektrolysenbehälter wird durch Zusammenziehen
der aus Dielektrikum gefertigten Zwischenlagen 4 zwischen den Platten 5 und 6 mit
Hilfe von Stiftschrauben 12 gebildet, welche zugleich als Montageführungen dienen.
Wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist, gestattet die bauliche Gestaltung der Elektroden
1, deren peripheren
Teil beliebig weit über die Baumaße des Elektrolysenbehälters
hinaus zuführen.
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Anstelle der Stiftschrauben 12 können Bolzen, Schrauben bzw. andere
für den gegebenen Fall geeignete Befestigungselemente verwendet werden. Die über
die koaxialen öffnungen in den Metallplatten 5 und 6 und den Elektroden 1 durchgehenden
Stiftschrauben 12 sind gegen diese durch dielektrische Scheiben 13 und eine Isolation
14 isoliert. Ein konstantbleibender Höhenstand des Elektrolyten 3 wird entweder
durch Kippen des Elektrolysenbehälters bei dessen Füllen mit Elektrolyt oder über
im unteren Teil der Elektroden 1, d. h. in deren in den Elektrolyten eingetauchten
Teil ausgeführte öffnungen gewährleistet.
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Der Gleichstrom kann den Elektroden verschiedenartig - in Abhängigkeit
von den benötigten Kennwerten des Elektrolyseurs - zugeführt werden. Vorzugsweise
wird der Strom den Metallplatten 5 und 6 (der einen das positive und der anderen
das negative Potential) zugeführt, demzufolge die Elektrolysenzellen hintereinander
geschaltet werden und ihre Anzahl derart gewählt werden kann, daß der Elektrolyseur
unmittelbar aus dem vorhandenen Stromversorgungsnetz ohne jeglichen Netzanschlußtransformator
gespeist werden kann. Gegebenenfalls kann der Gleichrichter für geringere Ströme
berechnet werden.
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Beim Betrieb ruft das Durchlassen eines Gleichstromes durch den alkalischen
Elektrolyten 3 die Zersetzung des Wassers und die Entwicklung von Wasserstoff und
Sauerstoff an den Elektroden 1 sowie an den ebenfalls als Elektroden dienenden Platten
5 und 6 im Innenraum des Elektrolysenbehälters über dem Elektrolyten hervor, in
dem
die Gase sich vermischen, so daß im Inneren des aus Dielektrikum gefertigten Elektrolysenbehälters
homogenes Knallgas gebildet wird. Dieses wird über die öffnungen 2 und den Abführungsstutzen
8 dem Brenner 11 zugeführt und an der Ausgangsöffnung des letzteren zur Erhaltung
einer für Gasbrenntechnik geeigneten Hochtemperaturflamme verbrannt.
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Da die Elektroden 1 eine Form aufweisen, die zu deren exakten Montage
beiträgt, kann der Elektrolyseur unter einem höheren Druck betrieben werden, ohne
daß man mit der Gefahr dessen Ausfalls zu rechnen hat. Dies bietet die Möglichkeit,
die Flammenlänge nutzvoller zu steuern, und erweitert die technologischen Möglichkeiten
eines mit einem derartigen Elektrolyseur gespeisten Brenners, wobei zugleich die
Betriebssicherheit gewährleistet wird.
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Der Vergleich der zum Zusammenbau eines Elektrolyseurs mit diesen
muldenförmigen Elektroden 1 benötigten Zeit mit der Zeit, die zur Montage eines
Elektrolyseurs mit flachen Elektroden mit denselben Abmessungen erforderlich war,
hat erbracht, daß für den Zusammenbau eines Elektrolyseurs mit muldenförmigen Elektroden
1 um das Vierfache weniger Zeit bei gleicher Montagequalität erforderlich ist.
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Andere Vorteile des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs sind folgende:
Gewährleistung einer wirksamen Wärmeabführung aus dem gesamten Volumen des Elektrolyten,
da der periphere Teil der jeweiligen Elektrode herausgeführt ist;
Vorhandensein
von einheitlichen Bauelementen, welche den Zusammenbau von Einrichtungen mit den
erforderlichen Kenndaten ermöglichen; Herstellungs-, Montage-, Auseinandernahme-
und Betriebseinfachheit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung enthält die
Elektrolysenzelle (Fig. 3) mit porösem überzug 16 versehene Elektroden 15 sowie
zugleich als dielektrische Zwischenlage 4 dienende Diaphragmen 17 mit in diesen
ausgeführten Bohrungen 18 und der Öffnung 19. Die Bohrungen 18 sind derart ausgeführt,
daß ihre Achsen unter einem Winkel von 30 bis 600 zur Senkrechten bzw. zur Ebene
des Diaphragmas verlaufen. Die Höhe der Öffnung 19 beträgt 1/3 der Höhe (h) des
Diaphragmas 17 (5. Fig. 3).
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Im Verlaufe des Betriebs kommt es zur Entwicklung von Wasserstoff
und Sauerstoff an den Elektroden 15, welche emporsteigen, sich beim Durchtreten
durch die Bohrungen 18 vermischen und das Knallgas bilden. Die Neigung der Achsen
der Bohrungen 18 unter einem Winkel von 30 bis 600 zur Ebene des Diaphragmas 17
trägt dazu bei, der Bildung von Kurzschlußstegen bei Abblätterung des porösen Überzuges
16 von der Oberfläche der Elektroden 15 zuverlässig vorzubeugen. Gegebenenfalls
ist die wirksame Stromdurchgangsfläche am größten, womit der mindestmögliche Widerstand
für den Stromdurchfluß im Elektrolyten gesichert wird. Das Vorhandensein der Öffnung
19 im Diaphragma 17 gewährleistet den normalen Verlauf des Elektrolysevorgangs bei
mindestmöglichem Widerstand für den Stromdurchfluß.
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Zur Erprobung eines Elektrolyseurs gemäß der vorstehend beschriebenen
Ausführungsvariante der Erfindung wurden Apparate mit einer Leistungsfähigkeit von
40 l/h, 80 l/h und 120 l/h Gasgemisch auf Elektroden mit porösen Überzügen und Diaphragmen
vorstehend beschriebener Bauweise zusammengebaut, und der poröse Überzug wurde zerstört.
Die Stärke des aus Gummi gefertigten Diaphragmas betrug 0,8 bis 1,0 mm, der Bohrungsdurchmesser
0,3 bis 0,5 mm bei einem Abstand zwischen den benachbarten Bohrungen von 0,8 bis
1,0 mm und einer Neigung der Achse der jeweiligen Bohrung von 30 bis 600. Die Erprobung
hat einen zuverlässigen Schutz vor Entstehung von Kurzschlußstegen erbracht, welche
in den bisher bekannten Elektrolyseuren zur Explosion in der Elektrolysenzelle führten.
Mit der Anordnung des Diaphragmas hat der dem Stromdurchfluß geleistete Widerstand
um einen geringen Betrag gegenüber dem in einer Elektrolysenzelle ohne Diaphragma
zugenommen.
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Gemäß einer noch weiteren Ausführungsvariante der Erfindung wird
der Elektrolyseur (Fig. 4) aus Elektrolysenkammern zusammengebaut, welche Elektroden
20 enthalten, die in ihren Vertiefungen Nuten 21 mit dem mit der Höhe der Elektrode
zunehmenden Querschnitt bzw. der entsprechend zunehmenden Tiefe aufweisen. (Mit
demselben Nutzeffekt können sich die Nuten nach oben hin in Breitenrichtung erweitern,
da aber diese Ausführungsvariante von der vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante
abweicht, ist sie in der Zeichnung nicht dargestellt.) Die den Boden der Nut 21
bildende Seite der Elektrode 20 stellt die Kathode dar, während die Rückseite bzw.
die Krümmung der Elektrode 20 die Anode ist. Das Gasgemisch wird durch eine (nicht
gezeigte) Öffnung in der aus Dielektrikum gefertigten, zwischen den Elektroden 20
angeordneten
Zwischenlage 22 abgeführt.
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Im Verlaufe des Betriebs wird den Elektroden 20 Gleichstrom zugeführt,
infolge dessen beim in Fig. 4 gezeigten Anschluß der Elektroden an der Anode (+)
Sauerstoff und an der Kathode (-) Wasserstoff entwickelt werden. Da Wasserstoff
volumenmäßig zweimal so viel wie Sauerstoff entwickelt wird, lassen sich die Wasserstoffbläschen
bei Neigung der an der Kathode ausgeführten Nuten von der Oberfläche der Kathode
ohne Schwierigkeiten abreißen, wobei ihre Geschwindigkeit die der Sauerstoffbläschen
übersteigt. Derartig wird ein gerichteter Umlauf des Elektrolyten in der Elektrolysenkammer
gebildet und dessen Sättigung mit Gas herabgemindert.
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Der gemäß der vorliegenden Ausführungsvariante der Erfindung aufgebaute
Elektrolyseur wurde auf der Versuchsanlage des Anmelders geprüft. Der Elektrolyseur
wurde für eine Leistungsfähigkeit von bis 80 l/h berechnet. Die Elektroden mit geneigt
ausgeführten Nuten in den Vertiefungen wurden aus Nickel mit einer Stärke von 0,6
mm gefertigt. Die maximale Tiefe der Nut betrug 3 mm und die Breite 5 mm. Die Anzahl
der Nuten je Elektrode betrug fünf Stück bei deren Länge von 115 mm. Als Prüfungsergebnis
sind ein intensiver Umlauf des Elektrolyten und dessen geringe Sättigung mit Gas
zu verzeichnen. Die verwendeten Stromdichten an den Elektroden betrugen 70 mA/cm2
im Gegensatz zu 50 mA/cm² in den bisher bekannten Elektrolyseuren, so daß der Elektrolyseur
bei den gleichen Kennwerten die Möglichkeit bietet, eine höhere, der Vergrößerung
der Stromdichte an den Elektroden proportionale Leistungsfähigkeit zu erzielen.
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